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2.1 冶金自动化背景介绍 |
冶金是从矿石中提取金属或金属化合物，用各种加工方法将金属制成具有一定性能的金属材料的过程和工艺。冶金工业可以分黑色冶金和有色冶金。黑色冶金工业主要指包括生铁、钢和铁合金（如铬铁、锰铁等）的生产，有色金属工业指除黑色金属外其余所有各种金属和合金的生产。冶金在我国具有悠久的发展历史，冶金自动化也涵盖诸多方面，但本章主要围绕钢铁冶金、有色冶金和矿物处理等主流工艺的自动化技术进行展开，所涉及的技术进展则选取代表性的成果进行介绍。
钢铁工业是国民经济的重要基础产业，是实现工业化的支撑产业，也是技术、资金、资源、能源密集型产业，在整个国民经济中占有举足轻重的地位。20世纪90年代以来，中国钢铁工业飞速发展，钢产量从1990年的6535万吨，以每年增长600万～700万吨的速度大幅度增长。1996年首次超过1亿吨大关，跃居世界第1位，数量上基本满足了国民经济的需要，扭转了长达40年的被动局面。1999年达到1.22亿吨，连续4年居世界各国之首，占世界钢产量的比重从1949年的不到0.1%提高到15.8%。与此同时，我国粗钢产量虽然大，但整体并不强，许多高端特钢依赖进口。图2-1和图2-2分别列出了1949～2015年我国的粗钢产量与世界的粗钢产量 [ 1 ] 。
图2-1 1949～2015年中国粗钢产量及表观消费量
图2-2 1949～2015年世界粗钢产量
进入21世纪，钢铁行业在经历了高速发展之后，又遇到了市场萎缩、产能过剩的问题。据统计，2007～2011年上半年，我国钢铁行业处于稳定上升阶段，2011年上半年，整体资产规模高达48640亿元。随后，由于国内需求的降低，钢材价格的持续走低，钢铁行业整体进入“寒冰期”。2013年5月，重点大中型钢铁企业利润仅有1.5亿元，其中甚至有四成的企业亏损。而2015年，钢铁企业的“日子”更加不好过，钢铁价格持续创下新低，供需矛盾持续突出，产能过剩仍是最大问题。2015年1月价格持续下降，降幅达7.17%；2月降幅减缓，但仍有2.68%。据钢协统计，2015年1～4月，钢铁企业亏损面高达45.54%，利润持续增亏，钢铁行业成为“最不赚钱的工业” [ 2 ， 3 ] 。2016年前三季度，国民经济运行总体平稳、稳中有进、稳中提质、好于预期，同时钢铁行业化解过剩产能工作取得较大进展，为行业转型脱困提供了较好的外部环境。
目前，钢铁行业运行中还存在诸多的困难和问题。目前我国钢铁行业属于微利行业，行业吨钢毛利在2～30元，只有批量大、高效率、高质量才能有盈利空间。然而由于当今市场上多品种、小批量产品需求的不断提高，对现有的生产制造模式产生了巨大的挑战，亟待将企业生产制造过程、能源系统、原材料物流等因素综合考虑，构建具备多系统协同的我国钢铁工业制造新模式。
有色金属又称非铁金属，是除铁、锰、铬之外所有金属的统称，广泛应用于机械、电子、化工、建材、航天、航空、国防军工等各个行业。有色金属工业开发利用有色金属矿产资源，为我国国民经济和国防军工发展提供基础及关键性材料，在经济建设、社会发展和国家安全中具有不可替代的战略地位。有色金属工业与国民经济的产业关联度高达91%，是国民经济和国防建设的基础性产业，也是国家参与21世纪国际竞争的支柱产业，对我国经济发展和综合国力提升具有不可替代的重大支撑作用 [ 7 ] 。
我国有色金属工业在国家经济建设和国防安全巨大需求的驱动下，从无到有，一批有色金属企业的生产经营规模进入世界前列，我国也逐步成长为有色金属大国。2002年，我国铜、铝、铅、锌、镍、锡、锑、镁、钛、汞十种常用有色金属产量达到1012万吨，首次超过美国，成为世界有色金属生产第一大国，之后我国有色金属的产量和消费量一直位居世界第一，占世界有色金属市场的份额逐年稳步上升；2009年十种常用有色金属产量达到2605万吨，总消费量2665万吨，其中铜、铝、铅、锌总产量分别占全世界产量的22.43%、35.45%、42.02%、38.65%，总消费量分别占全世界消费量的31.66%、37.07%、41.67%、40.17%；2011年，十种常用有色金属产量增长到3424万吨，铜、铝、铅、锌等主要有色金属生产和消费量均居世界第一位，占据世界的40%以上。2012年以来，由于世界经济发展动力不足，对有色金属的需求增长放缓，但我国有色金属工业体量巨大且平稳增长，2015年，我国十种常用有色金属产量达到5155.8万吨，已占据世界总量的50%以上。在世界有色金属市场周期性下行的行业背景下，铜、铝、锌、镍等有色金属价格持续下降，企业利润大幅下降、经营困难，我国有色冶金行业面临严峻挑战；另外，高端有色金属产品的制造对有色冶金过程的精细化控制提出了新的要求。
在有色金属行业“去产能，促升级”的行业背景以及大数据、人工智能、无线通信、物联网等信息技术突飞猛进的时代背景下，推进创新驱动，优化产业布局和产业结构，增强我国有色金属行业的国际竞争力，争得有色金属的定价话语权，由中低端向高端迈进，已成为目前我国有色金属行业的工作重点。
随着信息技术和自动控制技术的发展，冶金自动化和其他行业一样取得了长足的发展与进步。自动化对冶金行业生产起到了重要的作用。冶金工业属于典型的流程工业过程，其自动化系统普遍采用PCS（过程控制系统）、MES（制造执行系统）和ERP（企业资源规划系统）所构成的三层体系结构。各个层次系统的发展概况如下。
目前我国大多冶金行业生产过程控制系统（PCS）广泛采用PLC、DCS、工业PC实现数字化自动控制，现场总线、工业以太网相结合的网络应用已经普及，无线通信、RFID等物联网、移动通信网开始应用；常规检测仪表的配备比较齐全，钢水温度成分预报、铸坯和钢材表面质量等软测量技术在现场获得应用；取样测温、扒渣、自动标识等工业机器人开始应用于钢铁过程；将工艺知识、数学模型、专家经验和智能技术结合，应用于炼铁、炼钢、连铸和轧钢等典型工位的过程控制和过程优化；涌现出操作平台型高炉专家系统、“一键式”全程自动化转炉炼钢、智能精炼炉控制、加热炉燃烧优化控制、热连轧模型控制、冷连轧模型控制、竖炉和磨机等耗能设备智能运行反馈控制、铝电解槽优化控制等先进控制技术与系统。
制造执行系统在大型冶金企业基本普及，通过信息化促进生产计划调度、物流跟踪、质量管理控制、设备维护、库存管理水平的提升；EMS（能源管理系统）通过建立能源中心，实现了电力、燃气、动力、水等能源介质远程监控、集中平衡调配、能源精细化管理等功能；涌现出全流程物流件次动态跟踪、炼铸轧一体化计划编制、高级计划排产、设备在线诊断、一贯制质量过程控制、基于大数据的产品质量分析等技术和系统。
企业资源规划系统在信息化技术的支撑下已经在基于互联网和工业以太网的ERP、CRM（客户关系管理）、SCM（供应链管理）、电子商务等取得成功应用，在更好地满足客户需求、缩短交货期、精细控制生产成本方面发挥了作用；一些重点企业在聚集了海量的生产经营信息资源的基础上，建立了数据仓库、联机数据分析、决策支持和预测预警系统，着手进行数据挖掘、商业智能等深度开发；一些重点企业建立了集团信息化系统，支持企业一体化购销和异地经营，涌现出产销一体化、供应链深度协同等具有国际先进水平的技术和系统。
冶金自动化系统的发展也面临新的问题和挑战。从企业内部情况来看，各层次功能相对独立，无法实现各种终端的互联，信息交互不畅，忽略了不同生产过程之间以及调度管理信息间的紧密联系，使大量的信息和知识得不到有效利用。从企业之间情况来看，企业普遍存在着设备网、控制网、现场总线、工业以太网和互联网等多种网络形式且各网络互不兼容，信息的开放性、共享和可用性较差，部分信息传输的实时性得不到保证。新一轮产业革命正在孕育，高技术与战略性新兴产业迅猛发展，对冶金工业的需求不断增长，为其发展提供了新契机。大数据、人工智能、工业互联网、工业云等新技术为冶金工业的发展创造了新动能和新挑战。因此，如何实现冶金行业智能制造和智能生产是未来一段时间研究的重点。